DE69815274T2

DE69815274T2 - Titanalumide für Präzisionsguss und Giessmethode für Titanalumide

Info

Publication number: DE69815274T2
Application number: DE69815274T
Authority: DE
Inventors: Sadao Nishikiori; Satoshi Takahashi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2018-12-23
Also published as: US6165414A; DE69815274D1; JPH11193431A; EP0926252A1; EP0926252B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Titanaluminide für den Präzisionsguss, und ein Verfahren zur Herstellung eines bestimmten Produktes unter Verwendung eines solchen Titanaluminids, und insbesondere Titanaluminid, das Fe und V enthält, um eine hohe Dauerstandfestigkeit und ein Präzisionsgießverfahren zu demonstrieren, indem man von den Vorteilen eines solchen Titanaluminids Gebrauch macht.
Titanaluminid (TiAl-Legierung) besitzt verschiedene Vorteile, wie zum Beispiel ein leichtes Gewicht, zeigt eine zufriedenstellende Festigkeit bei erhöhter Temperatur und weist eine annehmbare Steifigkeit auf. Titanaluminid wird deshalb als neues günstiges Material für rotierende Teile eines Flugzeugmotors und eines Automotors oder dergleichen angesehen, und es besteht die steigende Tendenz, dies in die Praxis umzusetzen.
Konventionell werden Fe, V und B einer TiAl-Legierung zugesetzt, um durch Präzisionsguss ein kompliziertes Produkt herzustellen. Indem man eine optimale Hitzebehandlung anwendet, wird die TiAl-Legierung in der Duktilität bei Raumtemperatur, der Bearbeitbarkeit und der Herstellung verbessert. Diese Verfahren und Versuche werden zum Beispiel in Japanese Patent Application, Laid-Open Publication No. 8-311585 beschrieben.
Untersuchungen der TiAl-Legierungen haben sich jedoch hauptsächlich auf die Verbesserung der Duktilität bei Raumtemperatur gerichtet, so dass auf diese Weise weiter entwickelte Ti-Al-Legierungen eine relativ geringe Dauerstandfestigkeit besitzen. Insbesondere die Dauerstandfestigkeit ist oberhalb von 700ºC nicht sehr gut.
Um die Dauerstandfestigkeit von TiAl-Legierungen zu erhöhen, ist ein Verfahren bekannt, bei dem man ein drittes Element (Mo, Cr, W, Nb, Ta usw.) einer TiAl-Mutterlegierung zugibt. Dieses Verfahren wird als drittes Element-Zugabeverfahren bezeichnet. Eine andere bekannte Methode ist eine Methode, bei der man die Struktur auf solche Weise kontrolliert, dass das volumetrische Verhältnis der γ-Phase (TiAl) in einer TiAl- Legierung erhöht wird ("Struktur-Kontrollmethode").
Die Methode der Zugabe des dritten Elements verschlechtert jedoch die Präzisionsgießfähigkeit der TiAl-Legierung beträchtlich, so dass ein kompliziertes Produkt nicht geformt werden kann. Die Struktur-Kontrollmethode verursacht es, dass die Raumtemperatur-Duktilität der TiAl-Legierung unter 0.5% sinkt, wodurch die Bearbeitbarkeit stark verringert wird.
Eine Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, Titanaluminid für den Präzisionsguss und Verfahren zum Präzisionsgießen bereitzustellen, die die vorstehend beschriebenen Probleme des Standes der Technik überwinden können und die Raumtemperatur-Duktilität, Bearbeitbarkeit, Herstellbarkeit, Gießbarkeit und Dauerstandfestigkeit verbessern.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Titanaluminid für den Präzisionsguß gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Diese chemische Zusammensetzung erhöht das Verhältnis der in einer TiAl-Matrix ausfällbaren α&sub2;-Phase (Ti&sub3;Al). Deshalb ist eine Spurenmenge (2 bis 5%)der α&sub2;-Phase in der Art einer dünnen Linie in der TiAl-Matrix vorhanden. Dieses Titanaluminid ist insbesondere für den Präzisionsguss geeignet. Das Titanaluminid zeigt eine Bruchperiode von circa 80 bis 20000 Stunden, wenn eine Belastung von circa 130 bis 270 MPa bei 760ºC appliziert wird. Das Titanaluminid der Erfindung weist deshalb eine bemerkenswerte Dauerstandfestigkeit bei erhöhter Temperatur auf. Das Titanaluminid kann deshalb für rotierende und stationäre Teile eines Flugzeugmotors, wie zum Beispiel Propellerblätter, Flügel und Klappen, und für ein rotierendes Element eines Automotors, wie zum Beispiel eines Turboladerrotors, verwendet werden.
Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein in Anspruch 6 definiertes Verfahren bereitgestellt.
Dieses Verfahren verursacht, dass eine Spurenmenge einer feinen reihenartigen α&sub2;-Phase in einer TiAl-Matrix präzipitiert. Dieses Verfahren verursacht auch eine ausreichende Kerbverzahnung, die entlang der Korngrenzen auftritt, wodurch die Kristallkörner ineinander auf komplizierte Weise wie Sägezähne eingreifen. Dies erhöht die gesamte Oberfläche der Korngrenzen beträchtlich und erhöht die Dauerstandfestigkeit (insbesondere die Dauerstandfestigkeit oberhalb von 700ºC wird erhöht). Das resultierende Produkt ist deshalb im Hinblick auf die Raumtemperatur-Duktilität, Verarbeitbarkeit, Herstellbarkeit, Gießfähigkeit und die Dauerstandfestigkeit hervorragend.
Fig. 1 veranschaulicht ein Zustandsdiagramm einer binären Legierung (Titanaluminid);
Fig. 2A ist eine Kopie einer Fotografie einer Titanaluminidstruktur für den Präzisionsguss gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2B ist eine Kopie einer Fotografie einer Titanaluminidstruktur für den Präzisionsguss gemäß dem Stand der Technik; und
Fig. 3 veranschaulicht die Dauerstandfestigkeitseigenschaften von Titanaluminid gemäß der vorliegenden Erfindung und des Standes der Technik.
Es wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung stellten umfangreiche Untersuchungen mit einer TiAl-Legierung dar, um die Dauerstandfestigkeit, ohne Verschlechterung der Raumtemperatur- Duktilität, Gießbarkeit und Verarbeitbarkeit, zu verbessern und kamen zu den tilgenden Resultaten:
1. Fe und V werden vorzugsweise zu einer TiAl-Mutterlegierung in im wesentlichen der gleichen Menge wie das konventionelle Material (TiAl-Legierung, beschrieben in Japanese Patent Application, Laid-Open Publication No. 8-311585), zugegeben, um die Gießbarkeit angemessen aufrechtzuerhalten, und B wird vorzugsweise in einer geringeren Menge zugegeben, damit der Guss ein grobes Kristallkorn aufweist.
2. Die Menge an Al, die der TiAl-Mutterlegierung zugegeben wird, wird Vorzugsweise im Vergleich mit der konventionellen TiAl-Legierung erhöht, um das volumetrische Verhältnis der γ-Phase zu erhöhen und um das der α&sub2;-Phase (Ti&sub3;Al) zu verringern. Es soll hier festgestellt werden, dass die mechanischen Eigenschaften des Materials verschlechtert werden würden, wenn keine α&sub2;-Phase ausgefällt würde. Die α&sub2;- Phase wird deshalb so kontrolliert, dass sie mit 2 bis 5% ausfällt.
3. Die mechanischen Eigenschaften werden im allgemeinen durch Morphologie der Kristallkorngrenzen bestimmt. Deshalb wird eine Struktur vorzugsweise durch eine geeignete Hitzebehandlung auf solche Weise verbessert, dass eine ausreichende Kerbverzahnung in der Kristallkorngrenze der TiAl- Legierung stattfindet.
Im Hinblick auf die obigen Punkte 1 bis 3 entspricht das Titanaluminid der Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
Si, das zur konventionellen TiAl-Mutterlegierung hinzugefügt wird, wird im erfindungsgemäßen Titanaluminid nicht positiv zugegeben, da es die Gießbarkeit verschlechtert.
Als nächstes wird ein Verfahren für den Präzisionsguss gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Zunächst wird eine TiAl-Schmelze mit der folgenden chemischen Zusammensetzung hergestellt:
Al: 33.5-34.5 Gew.-%
Fe: 1.5-2.0 Gew.-%
V: 5-2.0 Gew.-% und
B: 0.05-0.10 Gew.-%, wobei der Rest Ti und unvermeidliche Verunreinigungen sind.
Ein TiAl-Ausgangsstoff kann gekauft und geschmolzen werden. Das verfügbare Material enthält im allgemeinen nicht die vorstehend angegebenen Elemente in den vorstehend angegebenen Bereichen. Deshalb müssen unzureichende und überschüssige Elemente zugegeben beziehungsweise verringert werden. Die Verringerung eines bestimmten Elements kann durch Raffination erfolgen. Die Mengen der Elemente werden während der Gehaltseinstellung überwacht, wodurch die Schmelze schließlich die Werte (in Gew.-%) in den vorstehend angegebenen Bereichen besitzt. Dann wird diese Schmelze der TiAl-Mutterlegierung in eine Form gegossen und gekühlt. Die Form kann eine komplizierte Gestalt besitzen, damit ein Präzisionsguss resultiert. Die Schmelze wird im allgemeinen mit einer üblichen Geschwindigkeit abgekühlt, kann aber schneller als notwendig abgekühlt werden. Dieser Guss wird fünf bis zwanzig Minuten bei einer Temperatur T, die durch die folgende Gleichung definiert wird, hitzebehandelt:
T(ºC) = (1,200 + 25 (Al(at%) - 44)) ± 10
Dies verursacht, dass sich in der TiAl-Matrix eine Spurennenge von 2 bis 5 Vol.-% einer feinen linienartigen α&sub2;-Phase abscheidet, und an der Kristallkorngrenze eine Kerbverzahnung auftritt.
Danach wird der Guss mit einer Geschwindigkeit von 100 ± 20 (ºC/Std.) abgekühlt.
Da die Mengen der in der TiAl-Mutterlegierung (Schmelze) enthaltenen Elemente so eingestellt werden, dass sie bestimmte Werte in den vorbestimmten Bereichen aufweisen, und der Guss einer geeigneten Hitzebehandlung und Abkühlung unterworfen wird, hat das Titanaluminid und der aus dem Titanaluminid erhaltene Guss verbesserte Raumtemperatur-Duktilität, Verarbeitbarkeit, Gießfähigkeit und Dauerstandfestigkeit.

Beispiele

In Fig. 1 ist ein Zustandsdiagramm von Titanaluminid dargestellt. In diesem Diagramm zeigt die horizontale Achse die Menge an Al (at%) und die vertikale Achse die Temperatur (K). Die vertikale durchzogene Linie, die an einem Punkt mit circa 48 at% (circa 34.2 Gew.-%) auf der horizontalen Achse beginnt, zeigt das erfindungsgemäße Titanaluminid für den Präzisionsguss, und die gestrichelte Linie, die von einem Punkt von circa 46.8 at% (circa 33.1 Gew.-%) ausgeht, zeigt das Titanaluminid für den Präzisionsguss gemäß des Standes der Technik. Nicht ausgefüllte Kreise zeigen die Gehalte an Al in der α- Phase des konventionellen Titanaluminids (TiAl-Legierung, beschrieben in Japanese Patent Application, Laid-Open Publication No. 8-311585) bei verschiedenen Temperaturen, und die ausgefüllten Kreise zeigen die Gehalte an Al in der γ-Phase des konventionellen Titanaluminids bei verschiedenen Temperaturen.
Aus Fig. 1 ist es ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Titanaluminid Al in der TiAl-Mutterlegierung in einer Menge enthält, die geringfügig größer ist als die des konventionellen Titanaluminids. Deshalb ist das Verhältnis der α-Phase zur γ-Phase (α/γ) bei circa 1,573 K DB/DA im erfindungsgemäßen Titanaluminid, im Vergleich mit CB/CA im Titanaluminid des Standes der Technik, wie dies aus dem Hebelverhältnis des Zustandsdiagrammes ersichtlich ist. Im Ergebnis ist die in der TiAl-Matrix abgeschiedene α&sub2;-Phase beträchtlich verringert.
Die Fig. 2A und 2B stellen Kopien einer Fotografie dar, die die Strukturen von Titanaluminid gemäß der vorliegenden Erfindung beziehungsweise des Standes der Technik zeigen. Spezifischerweise ist Fig. 2A eine EPMA-Fotografie (200- fach) des erfindungsgemäßen Titanaluminids, und Fig. 2B ist eine ähnliche Fotografie (200-fach) des konventionellen Titanaluminids.
In Fig. 2B ist eine große Menge der dicken linienförmigen α&sub2;-Phase (Ti&sub3;Al) im Kristallkorn ausgefällt (die weißen dicken Linien in der Zeichnung). Außerdem sind nicht viele Kerbverzahnungen in den Kristallkorngrenzen zu sehen, und gleichachsige Kristalle sind vorhanden.
Im Gegenteil dazu ist in Fig. 2A eine dünne linienförmige α&sub2;-Phase (Ti&sub3;Al) in der Kristallkorngrenze abgeschieden (die weißen dünnen Linien in der Zeichnung) und die Menge an Niederschlag ist im Vergleich mit dem konventionellen Material stark verringert. Außerdem sind in der Kristallkorngrenze ausreichende Kerbverzahnungen vorhanden, wodurch die Kristallkörner in einer komplizierten Weise wie Sägezähne ineinander greifen.
Fig. 3 veranschaulicht die Dauestandfestigkeit des Titanaluminids der Erfindung und des Standes der Technik bei einer Temperatur von 760ºC. Die horizontalen Achsen zeigen die Bruchzeit (Std.) und die vertikalen Achsen zeigen die angelegte Belastung. Die Linie, die nicht ausgefüllte Kreise verbindet, zeigt die Dauerstandfestigkeitskurve des erfindungsgemäßen Titanaluminids.
Aus Fig. 3 ist es ersichtlich, dass die Zeit, die benötigt wird, um einen Bruch des erfindungsgemäßen Titanaluminids zu bewirken, mehr als zehnmal so lang ist als für das konventionelle Titanaluminid, wenn die gleiche Belastung angelegt wird. Die Bruchzeit für das erfindungsgemäße Titanaluminid beträgt zum Beispiel 80 bis 20000 Stunden, wenn eine Belastung von circa 130 bis 270 MPa ausgeübt wird. Dies ist eine hervorragende Dauerstandfestigkeit bei einer erhöhten Temperatur. Die Fig. 3 beweist, dass ausreichende Kerbverzahnungen in der Kristallkorngrenze und ein sägeartiges Eingreifen zwischen den Kristallkörnern die Dauerstandfestigkeit erhöhen.
Das erfindungsgemäße Titanaluminid ist insbesondere für den Präzisionsguss geeignet (z. B. wird es als Material für rotierende Teile (z. B. Propeller) und stationäre Teile (z. B. Flügel und Klappen) eines Luftfahrzeugs und für rotierende Teile eines Automotors (z. B. Turboladerrotoren) verwendet. Das aus diesem Material erhaltene Produkt (Guss) hat eine gute Raumtemperatur-Duktilität, Verarbeitbarkeit und Gießfähigkeit und hohe Dauerstandfestigkeit. Es ist deshalb selbstverständlich, dass das gegossene Produkt der Erfindung auch für andere Teile verwendbar ist, die eine hohe Raumtemperatur-Duktilität, Verarbeitbarkeit, Gießfähigkeit und Dauerstandfestigkeit erfordern.

Claims

1. Titanaluminid für Präzisionsguss, das die folgende chemische Zusammensetzung hat:

Al: 33, 5-34, 5 Gew.-%,

Fe: 1,5-2,0 Gew.-%.

V: 1,5-2, 0 Gew.-% und

B: 0,05-0,10 Gew.-%, wobei der Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht und wobei 2 bis 5 Vol.-% α&sub2;-Phase in der TiAl-Matrix eingeschlossen sind.

2. Titanaluminid für Präzisionsguss, das die folgende chemische Zusammensetzung hat:

Al: 33,5-34,5 Gew.-%,

Fe: 1,5-2,0 Gew.-%,

V: 1,5-2,0 Gew.-% und

B: 0,05-0,10 Gew.-%, wobei der Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht und die Zeit bis zum Bruch bei Anwendung einer Spannung Von 130 bis 270 MPa bei 760ºC 80 bis 20.000 h beträgt und 2 bis 5 Vol.-% α&sub2;-Phase in der TiAl- Matrix eingeschlossen sind.

3. Herstellungsgegenstand aus Titanaluminid, das die folgende Zusammensetzung hat:

Al: 33,5-34,5 Gew.-%,

Fe: 1,5-2,0 Gew.-%,

V: 1,5-2,0 Gew.-% und

4 Herstellungsgegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Herstellungsgegenstand ein rotierender Teil oder ein stationärer Teil eines Flugzeugmotors bzw. -triebwerks oder ein rotierender Teil eines Kraftfahrzeugmotors ist.

5. Herstellungsgegenstand nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Herstellungsgegenstand durch Präzisionsguss hergestellt ist.

6. Verfahren, dass die folgenden Stufen umfasst:

A) Herstellen einer TiAl-Schmelze, die die folgende chemische Zusammensetzung hat:

Al: 33,5-34,5 Gew.-%,

Fe: 1,5-2,0 Gew.-%,

V: 1,5-2,0 Gew.-% und

B: 0,05-0,10 Gew.-%, wobei der Rest aus Ti und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht;

B) Formen eines Gusskörpers unter Verwendung der TiAl- Schmelze;

C) Anwenden einer Wärmebehandlung auf den Guss bei einer Temperatur T, die durch die folgende Gleichung gegeben ist, so dass bewirkt wird, dass 2 bis 5 Vol.-% α&sub2;-Phase in der Art feiner Linien in der TiAl-Matrix prezipitieren:

T(ºC) = (1.200 + 25 (Al(At %)) - 44) ± 10; und

D) Abkühlen des Gusskörpers.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung von Stufe C 5 bis 20 Stunden durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen von Stufe D mit einer Pate von 100 ± 20 (ºC/h) durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe B die Unterstufe des Eingießens der Schmelze in eine Form mit komplizierter Gestalt beinhaltet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe A die Unterstufen Erwerben eines verfügbaren Materials, das eine chemische Zusammensetzung hat, die einer gewünschten chemischen Zusammensetzung möglichst nahe kommt, und Einstellen der Gehalte an Elementen, die in dem verfügbaren Material enthalten sind, so dass seine chemische Zusammensetzung den oben angegebenen Kriterien entspricht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die Stufe der Bereitstellung einer Form zum Gießen eines Blatts eines Flugzeugmotors bzw. einer Flugzeugturbine, einer. Heckklappe eines Flugzeugmotors oder eines Turboladerrotors eines Kraftfahrzeugmotors vor der Stufe B umfasst.